一种基于半导体基材的回流焊装置及其操作工艺的制作方法

1.本发明属于芯片烧结技术领域，具体涉及一种基于半导体基材的回流焊装置及其操作工艺
。


背景技术：

2.半导体烧结真空回流焊技术在半导体行业中具有广泛的应用和市场需求
。
随着半导体行业的快速发展，半导体烧结真空回流焊技术的市场规模不断扩大
。
半导体器件的需求增长以及新兴技术（如物联网
、
人工智能
、5g
等）的推动，推动了半导体烧结真空回流焊市场的增长
。
半导体器件在各种应用领域中扮演着重要角色，对其可靠性和稳定性要求很高
。
半导体烧结真空回流焊技术能够提供高质量的焊接连接，确保器件的可靠性，并减少故障和失效的风险
。
3.同时随着半导体器件的不断进步，对焊接材料和工艺的要求也在不断提高
。
新材料的应用（如高温材料
、
宽禁带材料等）以及先进的工艺技术（如超声波焊接
、
激光焊接等）对半导体烧结真空回流焊技术提出了更高的要求
。
半导体烧结真空回流焊过程中的自动化和智能化趋势也在不断增强
。
自动化设备和智能控制系统可以提高生产效率
、
减少人为错误，并实现数据记录和追溯等功能，满足半导体行业对高效
、
可持续生产的需求
。
4.在中国专利公开
(
公告
)
号为
cn112570837a
中公开了一种真空回流焊机，包括机架
、
焊接模块
、
抽真空模块
、
冷却模块及传动部；传动部设置在机架上，沿机架一端至另一端方向输送；焊接模块
、
抽真空模块及冷却模块在机架上沿输送方向依次设置；工件在焊接模块焊接，经传动部送至抽真空模块内，传动部移出抽真空模块并停止输送，抽真空模块闭合，其内部形成密封结构，抽真空模块工作结束后打开，工件经冷却模块后送出
。
抽真空模块闭合的密封结构体积较小，且内部只与单个工件相匹配，确保能够迅速抽真空，在小空间的密封结构内抽真空
。
但是这种设备整体是流水线形式，整体的投入成本极大，一般而言，适合大批量精度要求较低的芯片烧结加工，但是在小范围的测试件生产环节，对于精度要求可控，且可调，方便进行精准控制均难以实现
。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于半导体基材的回流焊装置及其操作工艺，解决了现有技术中存在的上述技术问题
。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于半导体基材的回流焊装置，包括加热模块
、
气体供给模块，所述加热模块包括外部的真空炉以及位于真空炉内腔中设置的加热组件
、
冷却组件以及转运组件，所述转运组件包括顶升架
、
升降驱动组件
、
水平驱动组件，所述顶升架上部形成承载面，同时通过升降驱动组件实现对顶升架整体的升降运动，所述水平驱动组件实现对顶升架在加热组件
、
冷却组件之间的水平转运，同时加热组件对上方承载有被接合元件与焊锡材料的层叠体进行加热作业，所述冷却组件用于对加热后的层叠体进行冷却作业，使被
接合元件与焊锡材料的层叠在冷却环节处于真空条件下进行，同时所述真空炉（
11
）进行罩盖密闭时，使内腔中的压力小于
1kpa
；所述气体供给模块位于工作台的下方，通过管道为真空炉的内腔中通入氢气和
/
或惰性气体；通过位于侧边的抽真空机构实现对真空炉所在的内腔进行抽真空作业
。
7.进一步的，所述真空炉分为上壳体以及下壳体，所述下壳体固定于工作台面上，所述上壳体通过升降机构实现与下壳体的开合，且上壳体与下壳体闭合时，所围成的中部形成与外界隔绝的内腔体结构
。
8.进一步的，所述顶升架由多组分布的支杆组成，使所述支杆所在的上表面形成承载面，用于对被接合元件与焊锡材料而成的层叠体承载
。
9.进一步的，所述加热组件
、
冷却组件平行置于真空炉所在的内腔内，所述转运组件的顶升架运动至冷却端时整体置于冷却组件上表面；所述加热组件所在的上表面沿支杆的延伸方向设置有等间距的第一放置槽，使顶升架运动至加热组件上方，通过升降驱动组件的驱动作用下，使顶升架的支杆整体沉降至第一放置槽内，实现上方所承载的被接合元件落至加热组件所在的上表面；所述冷却组件所在的上表面沿支杆的延伸方向设置有等间距的第二放置槽，使顶升架运动至冷却组件上方，通过升降驱动组件的驱动作用下，使顶升架的支杆整体沉降至第二放置槽内，实现上方所承载的被接合元件落至冷却组件所在的上表面
。
10.进一步的，沿所述加热组件
、
冷却组件所在侧边位置设置有导向杆，实现水平驱动组件带动顶升架在水平方向沿导向杆的延伸方向运动
。
11.进一步的，所述水平驱动组件由底部的伺服电机以及传动齿条组成，所述伺服电机置于真空炉所在的底部，同时该输出轴伸入至真空炉的内腔内，端部设置有齿轮件；所述传动齿条沿导向杆的延伸方向设置，并使齿轮件与传动齿条啮合传动，通过传动齿条的相对移动从而带动与其相连的顶升架同步运动
。
12.进一步的，位于所述加热模块所在的外壁设置有水冷系统，所述水冷系统由管道附着于真空炉所在的表面，形成对真空炉表面的降温
。
13.进一步的，位于所述真空炉所在的上部设置气体燃烧组件，对真空炉的内腔中溢出的气体进行排出后燃烧
。
14.所述的基于半导体基材的回流焊装置的操作工艺，包括以下步骤：
s1、
首先打开真空炉，将被接合元件和焊锡材料形成的层叠体置于转运组件的顶升架上，随后闭合真空炉；
s2、
对真空炉所在的内腔中进行减压
、
抽真空作业，随后通过气体供给模块向真空炉输入氢气；
s3、
采用转运组件将上方承载的被接合元件和焊锡材料形成的层叠体转运至加热组件上，对加热组件进行加热，使得真空炉所在的腔体内的氢气产生原子态氢并形成正压的氢气氛，焊锡材料熔融，活性的原子态氢置换气泡中氧化气体，同时还原气泡中氧化物
。
其中：氢气氛
1pa
～
500pa
；
s4、
加热使被接合元件和焊锡材料形成的层叠体达到目标接合温度，随后进行减压作业，去除了因焊锡材料与被接合元件之间的气泡；
s5、
随后再进行二次通入氢气氛的再还原工序；
s6、
采用气体供给模块向真空炉中通入惰性气体，以去除真空炉中的氢气氛；
s7、
对焊接成型的被接合元件和焊锡材料进行冷却作业
。
15.本发明的有益效果：
1、
本装置所采用的真空炉中分别设置有加热组件
、
冷却组件两个部分均位于同一个腔体内，在进行加热后，通过转运组件转运至冷却组件上，配合外部的水冷系统，能够快速实现在一个设备上进行加热和冷却作业，极大提高了加工效率，且整体的投入成本较低
。
16.2、
本装置在进行加热时，能够进行压力控制，同时通过控制气体供给模块进行氢气和
/
或惰性气体的排放，可控性强，并提高了焊接质量
、
提高生产效率
。
17.3、
本装置位于真空炉所在的上部设置气体燃烧组件，对真空炉的内腔中溢出或排出的气体进行排出后燃烧，减少直接排出大气时造成的污染或者危害
。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍
。
19.图1是本发明实施例的整体结构示意图；图2是本发明实施例的真空炉整体闭合状态结构示意图；图3是本发明实施例的真空炉整体开合状态结构示意图；图4是本发明实施例的图3中真空炉开合状态正面结构示意图；图5是本发明实施例的下壳体整体结构示意图；图6是本发明实施例的转运组件位于冷却组件上方的俯视结构示意图；图7是本发明实施例的图6中剖面结构示意图；图8是本发明实施例的图7中a处部分结构示意图；图9是本发明实施例的转运组件位于加热组件上方的俯视结构示意图；图
10
是本发明实施例的图9中剖面结构示意图；图
11
是本发明实施例的下壳体整体另一角度展开结构示意图；图
12
是本发明实施例的图
11
中b处部分结构示意图
。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述
。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围
。
21.如图1所示，本发明实施例提供一种基于半导体基材的回流焊装置，包括加热模块
1、
气体供给模块2，加热模块1包括外部的真空炉
11
以及位于真空炉
11
内腔中设置的加热组件
12、
冷却组件
13
以及转运组件
14。
22.如图
2、
图
3、
图4所示，真空炉
11
分为上壳体
111
以及下壳体
112
，下壳体
112
固定于工作台面上，上壳体
111
通过升降机构实现与下壳体
112
的开合，上壳体
111
与下壳体
112
打开时相互分离，上壳体
111
与下壳体
112
闭合时，所围成的中部形成与外界隔绝的内腔体结构，上壳体
111
与下壳体
112
进行罩盖密闭时，即在抽真空状态下，使内腔中的压力小于
1kpa。
23.如图
5-10
所示，加热组件
12、
冷却组件
13
平行置于真空炉
11
所在的内腔内，即分别位于内腔所在的左右两个部分
。
24.此时加热组件
12
所在的上表面沿支杆
1410
的延伸方向设置有等间距的第一放置槽
121
，使顶升架
141
运动至加热组件
12
上方时，通过升降驱动组件
142
的驱动作用下，使顶升架
141
的支杆
1410
整体沉降至第一放置槽
121
内（即等间距设置的支杆
1410
与等间距设置的第一放置槽
121
间距相等），实现位于支杆
1410
上方所承载的被接合元件落至加热组件
12
所在的上表面；冷却组件
13
所在的上表面沿支杆
1410
的延伸方向设置有等间距的第二放置槽
131
，使顶升架
141
运动至冷却组件
13
上方，通过升降驱动组件
142
的驱动作用下，使顶升架
141
的支杆
1410
整体沉降至第二放置槽
131
内，实现上方所承载的被接合元件落至冷却组件
13
所在的上表面
。
25.如图
11、
图
12
所示，转运组件
14
包括顶升架
141、
升降驱动组件
142、
水平驱动组件
143
，顶升架
141
由多组平行分布的支杆
1410
组成，使支杆
1410
所在的上表面形成平面的承载面，用于对被接合元件与焊锡材料而成的层叠体承载
。
26.沿加热组件
12、
冷却组件
13
所在侧边位置设置有导向杆
144
，实现水平驱动组件
143
带动顶升架
141
在水平方向沿导向杆
144
的延伸方向运动
。
27.同时通过升降驱动组件
142
实现对顶升架
141
整体在竖直方向的升降运动，水平驱动组件
143
实现对顶升架
141
在加热组件
12、
冷却组件
13
之间的水平转运，通过加热组件
12
对上方承载有被接合元件与焊锡材料的层叠体进行加热作业，转运组件
14
的顶升架
141
运动至冷却端时整体置于冷却组件
13
上表面，冷却组件
13
用于对加热后的层叠体进行冷却作业
。
28.水平驱动组件
143
由底部的伺服电机
1431
以及传动齿条
1432
组成，伺服电机
1431
置于真空炉
11
所在的底部，同时该输出轴伸入至真空炉
11
的内腔内，端部设置有齿轮件
1433
；传动齿条
1432
沿导向杆
144
的延伸方向设置且置于内腔内，并使齿轮件
1433
与传动齿条
1432
啮合传动，在齿轮件
1433
旋转驱动时，通过传动齿条
1432
的相对移动从而带动与其相连的顶升架
141
同步在水平方向的移动
。
这种驱动方式将作为驱动源的伺服电机
1431
置于真空炉
11
所在的外侧，在保证气密性的同时并不影响整体的驱动作业，扩展了真空炉
11
所在的面积，可以实现单次承载更多的被接合元件和焊锡材料
。
29.气体供给模块2位于工作台的下方，分别设置有氢气进气口和惰性气体进气口，通过管道为真空炉
11
的内腔中通入氢气和
/
或惰性气体，采用的是氢气和氮气是外接气瓶，方便及时更换
。
30.位于加热模块1所在的外壁设置有水冷系统3，水冷系统3由管道附着于真空炉
11
所在的表面，形成对真空炉
11
表面的降温，能给实现对加热状态下的真空炉快速实现降温作业
。
31.位于真空炉
11
所在的上部设置气体燃烧组件4，对真空炉
11
的内腔中溢出或排出的气体进行排出后燃烧，减少直接排出大气时造成的污染或者危害
。
32.通过位于侧边的抽真空机构5实现对真空炉
11
所在的内腔进行抽真空作业
。
33.基于半导体基材的回流焊装置的操作工艺，包括以下步骤：
s1、
首先打开真空炉
11
，将被接合元件和焊锡材料形成的层叠体置于转运组件
14
的顶升架
141
上，随后闭合真空炉
11
；为了提高效率，至少一个被接合元件和至少一个焊锡材料的层叠体投入真空炉
11
内
。
34.s2、
对真空炉
11
所在的内腔中进行一次减压，减压工序完成之后，对真空炉内进行抽真空排气，随后通过气体供给模块2向真空炉
11
输入氢气，使真空炉
11
内形成低压的氢气氛，此时的氢气氛压力为
1pa
～
500pa。
35.随着气体供给模块2的持续通氢气氛，可以实现使真空炉内成为正压的氢气氛，加热至接合温度而使焊锡材料熔融；以及气泡去除工序，在加热工序之后，在保持为接合温度的状态下使真空炉
11
内再次成为真空气氛而去除熔体态焊锡中的气泡，其中，在加热组件
12
加热工序中，在
100℃
～
200℃
的温度下，氢气的作业也就是让层叠体产品在氢气氛的环境中加热不被氧化，即便产生局部氧化，也会使其氧化物进行还原
。
36.s3、
采用转运组件
14
将上方承载的被接合元件和焊锡材料形成的层叠体转运至加热组件
12
上，对加热组件
12
进行加热，使得真空炉
11
所在的腔体内的氢气产生原子态氢并逐步形成正压的氢气氛，焊锡材料熔融，活性的原子态氢置换气泡中氧化气体，同时还原气泡中氧化物
。
其中：氢气氛
1pa
～
500pa。
37.s4、
在加热工序之后，若层叠体的构成元件达到目标接合温度，则进行在保持为接合温度的状态下将真空炉内再次设为真空气氛并去除焊锡熔体中的气泡去除工序
。
在气泡去除工序中，再次开始真空炉内的减压
。
然后，在真空炉内的真空度达到，例如
50pa
之后，进一步持续进行减压例如
50
秒左右
。
由此，真空炉内的真空度达到
5pa
左右
。
通过该减压的持续，基本上去除了因焊锡材料与被接合元件之间的润湿不足而产生的气泡以及因焊锡材料中所含有的溶存气体而产生的气泡
。
38.在气泡去除工序之后，进行在保持为接合温度的状态下再次将真空炉内设为正压的氢气氛的再还原工序
。
在还原工序中，首先，再次从氢分子气体导入管向真空炉
11
内导入氢分子气体
。
在真空炉
11
内的压力达到了正压之后，进一步持续
50
秒左右氢分子气体的导入
。
39.s5、
随后再进行二次通入氢气氛的再还原工序；在二次减压工序之后，进行在将真空炉
11
内设为正压的氮气氛之后打开真空炉
11
的工序
。
适当的焊接压力可以促进焊点的形成和合金化，提高焊接接触的可靠性
。
40.s6、
在该工序中，如果通过氢的排气使真空炉
11
内的真空度为例如
5pa
，则向真空炉
11
内导入氮气（采用气体供给模块2向真空炉
11
中通入惰性气体），惰性气体能够对成型状态的叠层产品件形成气体环境保护，直至位于真空炉
11
内被氮气完全置换，在炉内的氢浓度达到爆炸极限以下之后，真空炉
11
向大气开放
。
41.s7、
对焊接成型的被接合元件和焊锡材料进行冷却作业，具体采用转运组件
14
从加热组件
12
上转运至冷却组件
12
上，随后通过位于加热模块1外部的水冷系统3加快冷却时间，在减少冷却时间的同时，也避免应为长时间的冷却作业造成叠层件之间容易二次产生气泡，从而提高加工效率，当然根据实际的需要，在通入氮气的同时也可同步进行
s7
的作业
。
42.以上显示和描述了本发明的基本原理
、
主要特征和本发明的优点
。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内
。